[发明专利]基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法

说明书

本发明公开了一种基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法，在单波长线偏振光入射的情况下，通过旋转超表面可以在生成一幅随机防伪图案。在双波长线偏振光入射的情况下，通过旋转检偏器可以生成一幅双色防伪图案，最终实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用。该设计方法巧妙，防伪图案的随机性选择和双波长实现双色防伪图案提高了伪造难度，使之难以复制和仿制，大大提高了防伪安全性。超表面结构简单紧凑，体积小、重量轻，便于集成到高端芯片、手表、钻戒等体积较小的贵重商品，基于本发明设计方法的防伪标签不易被发觉、获取和仿造。

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，具体是指一种基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法。

背景技术

现代科学技术的迅速发展和各种假冒伪劣活动的日益猖獗，促进了各种防伪技术的发展，其中，光学防伪是防伪技术中的一个重要分支，广泛应用在社会生活的方方面面，尤其是在货币、有价证券、证照、印章、医药、食品、化妆品、服装、农资产品、汽车农机配件、音像制品、软件电脑芯片等出现造假、侵权较多的领域，广泛采用光学防伪技术防止被假冒侵权。但是目前光学防伪标签面积较大，容易发现和获取，进而可以被复制和仿制，使得防伪安全性大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法，通过该方法设计得到的超表面可以实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用，防伪图案的随机性选择和双波长实现双色防伪图案提高了伪造难度，使之难以复制和仿制，大大提高了防伪安全性。

为实现上述目的，本发明提供的基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)优化设计可以在两个不同的工作波长下都可以实现起偏器的功能的纳米砖单元结构的尺寸参数，使得电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时在波长λ₁处透过率最低，同时在λ₂处透过率较高；而电场方向沿纳米砖短轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时在波长λ₂处的透过率最低，同时在λ₁处透过率较高，即优化后的纳米砖单元结构的尺寸参数；所述纳米砖单元结构由基底和刻蚀在所述基底上的纳米砖构成；所述纳米砖单元结构的尺寸参数包括纳米砖的高度H、长度L、宽度W和单元结构中心间隔C。

2)选取一幅由M×N个像素组成具有256(0～255)级灰度等级的灰度图像image1，图像中所有像素的灰度值构成一个灰度矩阵。设I_in＝255，灰度矩阵中的每一个灰度值作为I_out0，结合公式I_out0＝(sin2Φ₀)²I_in可求四个纳米砖方向角和均可得到第m行第n列的像素的灰度值。

3)再选取一幅由M×N个像素组成的灰度值只有0和255的黑白二值图像image2，image2和image1像素位置一一对应。灰度值为0的像素对应比较小的灰度值I_low，该像素对应的纳米砖方向角选择和中的任意一个；灰度值为255的像素对应比较大的灰度值I_high(I_highI_low)，该像素对应的纳米砖方向角选择和中的任意一个。依次求出所有纳米砖单元结构的方向角，构成方向角矩阵Φ。

4)将M×N个尺寸一致、方向角按照方向角排布矩阵Φ排列的纳米砖单元结构在长、宽方向上等间隔排列，构成可实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的超表面。

5)单波长入射至超表面生成单色随机防伪图案：当入射光为电场方向沿x轴的波长为λ₂的线偏振光，在所述步骤4)中构成的超表面后面放置一个透光轴方向沿y轴的检偏器时，透射光形成一幅灰度图像image1；当超表面顺时针旋转22.5°后，透射光形成一幅随机防伪图案image3；